Streven. Jaargang 17

[p. 263]

Wetenschappelijke kroniek
Kernreactoren, een overzicht
P.G. van Breemen S.J.

IN een voorgaand artikel (nov. 1963) hebben we uitgaande van de fysische beginselen, laten zien hoe men komt tot de opbouw van een kernreactor uit splijtstof, moderator en regelstaven. Deze drie onderdelen vormen samen het hart van een kern-reactor; hierin vindt de gecontroleerde kettingreactie plaats, waarbij de veelbesproken enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Deze energie komt vrij in de vorm van warmte, en het is de taak van de technici om deze warmte in een meer bruikbare vorm van energie om te zetten, bijv. elektriciteit, of mechanische energie voor het voortstuwen van schepen, raketten of vliegtuigen. Daartoe laat men een of ander koelmiddel door de reactorkern stromen, dat de reactor afkoelt en zelf verwarmd wordt. Met dit verwarmde koelmiddel wordt water tot stoom verhit, die naar turbines wordt geleid om tot mechanische energie te worden omgezet of via een generator tot elektrische energie. In deze opzet zijn zodoende twee afzonderlijke circuits te onderscheiden: één waarin het koelmiddel rondgaat (het primaire circuit) en één waarin water tot stoom wordt verhit, turbines aandrijft en weer condenseert (het secundaire circuit). Met name het primaire circuit wordt sterk radioactief en moet dus voorzien worden van een degelijke stralingsafscherming. Meestal gebruikt men daarvoor beton, soms gecombineerd met dikke stalen platen. Altijd brengt de stralingsafscherming een groot gewicht met zich mee.

Wanneer we nu een kort overzicht willen geven van de vele verschillende uitvoeringen waarin dit grondprincipe wordt verwezenlijkt, is het goed om eerst een onderscheid te maken tussen homogene en heterogene reactoren. In een homogene reactor is de splijtstof niet in aparte staven aangebracht, maar volledig vermengd met de moderator of met het koelmiddel. Bij de heterogene reactor zijn in de moderator afzonderlijke staafjes of plaatjes splijtstof ingebouwd. De beproefde types zijn allemaal heterogene reactoren; de homogene reactor verkeert nog in een ontwikkelingsstadium.

De meeste homogene reactoren lossen de splijtstof op in water of in zwaar water, dat dan als moderator of als koelmiddel dient. De Amerikanen testen een reactor waarbij de splijtstof is opgelost in metaal, dat door de hoge temperatuur vloeibaar is geworden (met name gebruikt men hiervoor bismuth). In Nederland wordt een heel apart type ontwikkeld in het laboratorium van de KEMA te Arnhem. Dit project droeg eerst de naam SUSPOP, die echter onlangs veranderd is in KSTR (KEMA Suspension Test Reactor). Men brengt hier microscopisch kleine korreltjes uraan-oxyde (of thorium-oxyde) met een diameter van ong. 0,01 mm in oplossing (beter: in suspensie) in water. Dit water dient als moderator en tegelijk als koelmiddel. Het in het oog springende nadeel van een dergelijk systeem is, dat het primaire circuit bizonder radioactief is, omdat het zelf de splijtstof en de afval bevat. Dit vraagt heel speciale

[p. 264]

beveiligingstechnieken, staat alleen afstandsbediening toe en maakt reparatie van onderdelen van het primaire circuit onmogelijk; men kan alleen een onderdeel er uit nemen en zonder meer vervangen door een ander. Daar staan echter verschillende voordelen tegenover. Op de eerste plaats kunnen de splijtingsproducten continu uit het systeem verwijderd worden. Verder kunnen de kleine korreltjes splijtstof goedkoper geproduceerd worden dan de gebruikelijke splijtbare materialen. Daarenboven hoopt men door thorium in plaats van uranium als splijtstof te gebruiken, meer splijtbaar materiaal te produceren dan men verbruikt (kweek-reactor). Men is in Arnhem bezig met een ¼ MW testreactor¹⁾, waarmee men de toepasbaarheid van dit systeem hoopt aan te tonen, en daarmee een originele bijdrage te leveren tot de ontwikkeling van de kernenergie.

Voorlopig zijn echter de Heterogene reactoren van meer belang. Verschillende typen hiervan zijn reeds geruime tijd in bedrijf voor de productie van energie. De heterogene reactoren vallen uiteen in een aantal soorten al naar gelang de moderator die wordt gebruikt. De moderator kan zijn: grafiet, water, zwaar water of een organische vloeistof; de moderator kan ook geheel ontbreken. Over deze vijf soorten van heterogene reactoren nu een enkel woord.

De heterogene reactor met grafiet als moderator was de eerste die als reële elektriciteitscentrale in werking werd gesteld, te Calder Hall (Engeland) in oktober 1956. Spoedig daarna kwam een soortgelijke centrale in Chapel Cross (Z. Schotland) in gebruik. De ervaringen waren zo hoopgevend, dat de Engelsen prompt de bouw begonnen zijn van een serie van 9 kern-centrales, allemaal van dit type, waarvan de eerste twee op 5 april 1963 in bedrijf zijn genomen, en de laatste in 1968 klaar zal zijn. Engeland geeft de toon aan wat betreft de grafiet-reactor. Voor het afremmen der neutronen is vrij veel grafiet nodig, waardoor deze reactoren altijd vrij omvangrijk zijn. De reactorenkern van Calder Hall bijv. is een cylindervormig blok grafiet met een doorsnede van 9,5 meter en een hoogte van 6,5 meter. Hierin zijn de uraan- en regel-staven aangebracht. Het geheel weegt meer dan 1000 ton. Als koelmiddel gebruikt men koolzuurgas onder een druk van 7 atmosfeer; daartoe moet de hele reactorkern in een stalen tank worden ondergebracht, terwijl men dan binnen die tank voor een druk van 7 atmosfeer moet zorgen. Omdat de regelstaven moeten kunnen worden uitgetrokken binnen de tank, en omdat de ondersteuning van de meer dan 1000 ton wegende reactorkern heel bizondere moeilijkheden veroorzaakte, is de hogedruk-tank tenslotte 21 meter hoog geworden bij een doorsnede van 11 meter en een dikte van 5 cm. Deze tank moet absoluut betrouwbaar zijn; ten gevolge van de dodelijke radio-activiteit is hij even onbereikbaar voor reparaties als de bodem van de oceaan. De tank is omgeven door 15 cm. dikke staal-platen en door een betonnen muur van 2 meter dikte om het stralingsgevaar te voorkomen. Alles bij elkaar groeit de kernreactor met grafiet als moderator zo uit tot een enorm gevaarte, waarbij bovendien aan de zuiverheid van het grafiet en aan de de betrouwbaarheid van de reuzen-tank zeer hoge eisen gesteld worden. Een voordeel van het gebruik van grafiet is echter, dat men natuurlijk uranium als splijtstof kan gebruiken, en niet het aanzienlijk duurdere verrijkte uranium

1) Ter vergelijking zij vermeld, dat de grootste elektriciteitscentrale in Nederland de centrale Noord te Amsterdam, een vermogen heeft van 200 MW; de totale capaciteit van de elektriciteitsproduktie in Nederland bedraagt anno 1963 4500 MW.

[p. 265]

nodig heeft. Van dit natuurlijke uranium is 127 ton in de reactorkern aanwezig. De prijs van het uranium was in 1956, toen Calder Hall in gebruik werd genomen, ongeveer f 170, - per kilo, en is thans teruggelopen tot ± f 100, - per kilo. De 48 regelstaven zijn uit borium-staal en kunnen verticaal op en neer worden bewogen. Ofschoon de reactoren van Calder Hall en Chapel Cross elektriciteit produceren voor het nationale net van Engeland en Schotland, is hun voornaamste doel waarschijnlijk toch nog een ander, nl. de produktie van plutonium. In 'n vorig artikel (pag. 169) zagen we, dat natuurlijk uranium voor 99,3% uit uranium-238 bestaat; en dat dit door neutron-vangst tenslotte overgaat in plutonium-239. Dit plutonium is een uitstekende splijtstof, geschikt voor modernere reactoren en voor atoombommen. Frankrijk heeft te Marcoule drie reactoren staan, de G1, G2 en G3, die zeer veel overeenkomst vertonen met die van Calder Hall. Hun voornaamste doel is onomwonden de produktie van plutonium; hun elektriciteitsproduktie bedraagt bij elkaar slechts 70 MW. Daarnaast staat een reactor te Chinon voor elektriciteitsproduktie met een vermogen van 70 MW, en zijn er twee in aanbouw met een vermogen van 180 en 400 MW. De nieuwe serie van negen reactoren, die Engeland thans aflevert, heeft ook uitsluitend tot doel de levering van elektriciteit; zij worden dan ook, in tegenstelling tot Calder Hall en Chapel Cross, geheel geëxploiteerd door de CEGB (Central Electricity Generating Board). Rusland heeft eveneens dit type reactor in aanbouw; het koelmiddel is echter water, en het uranium is licht verrijkt; in de Oeral komt zo'n reactor met een vermogen van 100 MW. Wat betreft het geinstalleerd vermogen is de grafiet-reactor de meest gebruikte van het ogenblik: 754 MW is in gebruik, 4000 MW zal voor eind 1966 voltooid zijn.

De heterogene reactor met water als moderator is een tweede soort van heterogene reactor die de aandacht verdient. Het is het lievelingsmodel van de Amerikanen. Het komt nog in twee variaties voor, afhankelijk van de druk waaronder het water zich bevindt. Deze twee varianten worden gewoonlijk aangeduid met de namen PWR en BWR.

In de PWR (pressurized water reactor) staat het water onder een druk van liefst 140 atmosfeer. Onder een dergelijke hoge druk krijgt het water, zelfs bij de hoge temperaturen die in de reactor optreden, geen kans te gaan koken. Het water doet tegelijkertijd dienst als moderator en als koelmiddel. De splijtstof moet altijd in meerdere of mindere mate verrijkt zijn; omdat zij de enigen zijn die op grote schaal uranium kunnen verrijken, zijn de Amerikanen hier dan ook in het voordeel. De grote verdienste van dit type reactor is de compacte bouw. De diameter van de reactorkern is kleiner dan 2 meter, en de hoogte gewoonlijk ook. De hoge druk tank is dan ook nooit groter dan 4 meter diameter en 9 meter hoogte (vergelijk dit met de 11 resp. 21 meter van Calder Hall). De warmteopbrengst per m³ reactorkern is in dit type hoger dan in welk ander type ook. De compacte vorm en het relatief hoge vermogen maken spectaculaire toepassingen mogelijk. De onderzeeërs Nautilus en Skate waren bijv. uitgerust met een PWR met hoog verrijkt uranium; zij konden minstens enkele malen rond de aarde koersen zonder boven water te komen. Ook het Amerikaanse passagiers- en vracht-schip N.S. Savannah heeft een PWR. De Russische ijsbreker Lenin, eveneens met een PWR uitgerust, heeft zijn tweede poolwinter achter de rug; hij heeft ijs gebroken van 2,5 meter dikte en uitstekend

[p. 266]

voldaan. Verder hebben de Russen een kleine reactor van dit type in Moskou opgesteld, met de optimistische naam Portable. Uiteraard zijn er ook verschillende centrales van dit type gebouwd, die niet de pretentie hebben ‘portable’ te zijn. We noemen slechts een 67 MW centrale te Shippingport (V.S.), die sinds 1957 in gebruik is, en de Yankee van 110 MW te Rowe (V.S.); een 210 MW centrale te Voronezh (Rusland) en een 70 MW centrale te Reinsberg (DDR, door Russen gebouwd), die beiden ‘hun voltooiing naderen’. Verder de BR-3 te Mol-Geel bij Antwerpen, met een vermogen van 11,5 MW (sinds 29 aug. 1962 kritisch). Te Chooz op de Frans-Belgische grens heeft de Société d'Energie Nucléaire franco-belge des Ardennes (SENA) een PWR-centrale in aanbouw met een vermogen van ruim 200 MW; men verwacht dat deze eind 1965 kritisch zal zijn.

De BWR is eveneens een heterogene reactor met water als moderator en tegelijk als koelmiddel. De druk is aanzienlijk lager (80 à 100 atmosfeer), zodat het water gaat koken en in stoom wordt omgezet (BWR = boiling water reactor). In principe zou deze stoom onmiddellijk naar de turbines kunnen worden geleid, zodat moderator, eerste en tweede circuit zouden samenvallen. De turbines zouden dan echter zwaar radioactief worden, zodat men toch liever twee circuits gebruikt. De technische eisen zijn voor een BWR niet zo zwaar als voor een PWR; de omvang is echter groter. Ook van dit type zijn er verschillende reactoren in gebruik als elektriciteits-centrale (totaal 350 MW) in de V.S.; en in aanbouw (totaal 650 MW) in de V.S., Rusland, West-Duitsland, Japan en Italië (de laatste drie gebouwd door Amerikaanse maatschappijen). In Skandinavië wil men een 18000-tons tanker bouwen met een BWR. De N.V. Samenwerkende Elektriciteits-Produktiebedrijven (SEP) te Arnhem heeft op 4 april 1963 met de General Electric een kontrakt gesloten voor de bouw van een BWR-centrale. Dit zal de eerste kern-energie-centrale worden in Nederland. Het vermogen zal 50 MW zijn; de kosten worden geraamd op 25 miljoen dollar. Hij zal niet voor 1968 in gebruik zijn.

De derde soort heterogene reactor gebruikt zwaar water als moderator. Hij is de specialiteit van Canada. Bezwaren zijn de hoge kosten van zwaar water (f 250, - per kg) en de grotere omvang (diameter en hoogte van de reactorkern liggen rond de 4 meter). Het voordeel is weer, dat natuurlijk (niet-verrijkt) uranium kan worden gebruikt. Naast Canada werken ook Tsjechoslovakije (met Russische hulp), Noorwegen, Zweden en Zwitserland met dit type. Een aparte variant van dit type heeft de bizondere belangstelling van Euratom. Het gaat hier om een reactor, waarbij nu eens niet moderator en koelmiddel samenvallen. De moderator is zwaar water, het koelmiddel is een organische vloeistof uit de reeks der polyphenylen. Het project draagt de naam ORGEL (met de nadruk op de laatste lettergreep), samengesteld uit de afkorting ORG (organisch koelmiddel) en de beginletters van het franse woord voor zwaar water (Eau Lourde). De onderzoekingen zijn vooral in het Euratom-centrum Ispra bij Milaan geconcentreerd. Er is een zekere vorm van samenwerking gevonden met de op dit punt meer ervaren Canadezen. De Euratom-leiding koestert grote verwachtingen van dit project en hoopt met dit type reactor elektriciteit tegen concurrerende prijzen te kunnen gaan leveren. Zwaar water als moderator maakt het mogelijk om niet-verrijkt uranium als splijtstof te gebruiken. Deze grondstof wordt in het grondgebied van Euratom zelf gevonden; fabrieken om het tegen economisch verant-

[p. 267]

woorde prijzen te verrijken bestaan er daarentegen in Europa niet. De organische vloeistof als koelmiddel vereist geen hoge druk in de reactortank, waardoor de installatie-kosten betrekkelijk laag komen te liggen. Er worden thans twee proefopstellingen ECO en ESSOR (25 MW) gebouwd te Ispra.

Als vierde soort heterogene reactor vermeldden we de reactor, die een organische vloeistof als moderator gebruikt. Meestal is deze vloeistof ook hier weer tegelijk moderator en koelmiddel. Veel gebruikte vloeistoffen in dit verband zijn diphenyl en triphenyl. In ieder geval zoekt men een vloeistof met een zeer hoog kookpunt (bijv. 400^o) en met een groot aantal waterstofatomen per molecuul. Als het kookpunt hoog ligt, kan men met een lage druk werken. Hoe meer waterstof de vloeistof bevat, hoe beter hij modereert, en hoe kleiner de reactorkern. Gewoonlijk gebruikt men dan nog laag- of zelfs hoog-verrijkt uranium. Al deze factoren bij elkaar zorgen voor een zeer compact reactormodel. In Piqua (Ohio, V.S.) bijv. staat een reactor met een vermogen van 12,5 MW, die een kern-hoogte heeft van 1,40 meter en een kern-diameter van 1,50 meter. Dit type leent zich dan ook, evenals de PWR, voor installatie op schepen. In Kiel komt een kernvrachtschip van 15.000 ton op stapel met dit type reactor.

Na al deze verschillende moderatoren komt tenslotte het wonderkind uit de reactoren-familie: de reactor zònder moderator. In 't vorige artikel (pag. 171) zagen we dat de moderator tot taak heeft de neutronen die met een snelheid van 10.000 km per sec. uit de kernsplijting te voorschijn komen, tot wat handzamer snelheden af te remmen. In een reactor zònder moderator worden de neutronen niet afgeremd, maar vindt de kernsplijting plaats met snelle neutronen; men spreekt dan ook vaak van ‘snelle reactor’. De kans dat een snel neutron door een splijtbare U₂₃₅-kern gevangen wordt, is betrekkelijk gering; daarom moet er relatief veel U₂₃₅ aanwezig zijn; m.a.w. men heeft verrijkt uranium nodig om een kettingreactie op gang te houden. Naast het verhoogde percentage U₂₃₅ heeft men dan echter nog steeds een aanzienlijk percentage U₂₃₈. We zagen al eerder, dat U₂₃₈ bizonder goed in staat is om snelle neutronen te absorberen; via enkele tussenstadia kan het dan overgaan in plutonium-239, dat zelf als splijtstof kan dienen (pag. 170). 'n Snelle reactor vebruikt dus de splijtstof U₂₃₅, maar produceert tegelijkertijd de nieuwe splijtstof plutonium-239 uit het niet-splijtbare U₂₃₈. Het is zelfs mogelijk gebleken om méér splijtstof te produceren dat er verbruikt wordt. Men spreekt dan van kweekreactoren, of met een Engelse term: breeders. Deze unieke eigenschap maakt de snelle reactor tot de grote kanshebber voor de toekomst. De formulering: een kweekreactor produceert mèèr splijtstof dan hij verbruikt, is enigszins tendentieus en buiten zijn context misleidend. Uit het bovenstaande is echter wel gebleken, wat precies bedoeld wordt: uit het niet-splijtbare U₂₃₈ wordt mèèr splijtbaar plutonium gevormd dan er splijtbaar U₂₃₅ wordt verbruikt. M.a.w. een kweekreactor verbruikt op nuttige wijze zowel U₂₃₅ als U₂₃₈. De kracht van de kweekreactor is, dat in principe al het aanwezige uranium voor energie-produktie wordt gebruikt. Dit is iets wat im geen enkel ander reactor-type wordt bereikt.

In 1951 werd in Idaho (V.S.) de eerste experimentele snelle reactor in gebruik genomen onder de naam EBR-1 (experimental breeder reactor). Het vermogen was slechts 0,2 MW. Een ernstig ongeval met de EBR-1 heeft twijfels opgeroepen aan de veiligheid van de snelle reactor in het algemeen. Zorgvuldig

[p. 268]

onderzoek heeft uitgewezen, dat het ongeval met de EBR-1 werd veroorzaakt doordat de splijtstof-staven onder de enorme hitte vervormd waren. De optredende temperaturen zijn zo hoog, dat men vloeibaar natrium als koelmiddel kan gebruiken! Het vervormen van de splijtstaven kan echter voorkomen worden door een betere constructie en tast de waarde van de snelle reactor als zodanig niet aan. De ‘Enrico-Fermi-centrale’ in de buurt van Chicago heeft een vermogen van 100 MW en is de eerste grote energie-reactor van dit type. Een kleinere centrale van 15 MW was al sinds 1961 in gebruik te Dounreay in Schotland. De Euratom-landen hebben een kleine kweekreactor in aanbouw te Cadarache in Frankrijk, terwijl een particuliere Belgische maatschappij, de Compagnie Belgo-nucléaire, veel belangstelling heeft voor dit type reactor en door samenwerking met de Amerikaanse Enrico-Fermi-centrale reeds een aanzienlijke ervaring heeft opgedaan. In het Westduitse centrum te Karlsruhe verricht men voorstudies aangaande een kweekreactor, en voert men reeds onderhandelingen met Euratom.

Hiermee sluiten we dit overzicht van de verschillende typen kernreactoren af. De ruim 350 research-reactoren, die in verschillende landen in gebruik zijn (in Nederland te Petten, Delft, Wageningen, Arnhem; in België o.a. te Mol en Gent) zijn buiten beschouwing gelaten, omdat zij geheel zijn aangepast aan het specifieke onderzoek dat men wil verrichten en zodoende nog meer varianten vertonen dan de energie-reactoren.